石墨烯中库伦杂质诱导的新奇量子现象研究

Coulomb impurity problem is one of the fundamental research problems in condensed matter physics. In graphene system, Coulomb impurity has a significant effect on the low-energy electronic excitations of graphene and can induce many unconventional and novel quantum phenomena. This makes the Coulomb impurity problem in graphene has received a lot of attention in recent years. In this experimental research project, we will investigate the novel quantum phenomena induced by Coulomb impurity via mainly using scanning tunnelling microscope and spectroscopy. It includes systematic investigation of Coulomb impurity scattering and quasiparticle interference of monolayer, bilayer, and trilayer graphene, and studying their effect on the electronic structures of graphene; The quantum confined states and bound states in the local electrostatic potential and circular p–n junction induced by Coulomb impurity in graphene system, and their response to the magnetic field will also be probed. Our project will contribute to in-depth understanding of the mechanism of Coulomb impurity scattering in graphene system, provide experimental reference and new method for the controllable manipulation of the Dirac Fermions and the detection of new states of matter in graphene, and will also provide experimental foundation and design guide for nano-electronic and optoelectronic graphene device applications.

库伦杂质问题是凝聚态物理中一个十分基础的研究问题。在石墨烯中，库伦杂质对其低能电子激发有着十分显著的影响，并且可以诱导产生出许多反常和新奇的量子现象。这也使得石墨烯中的库伦杂质问题成为了近年来的研究热点。本项目拟从实验角度出发，将利用扫隧道显微镜和隧道谱为主要实验探测手段，探究石墨烯体系中库伦杂质诱导产生的新奇量子现象。包括系统研究单层、双层和三层石墨烯独特的库伦杂质散射与准粒子干涉现象及其规律，探究库伦杂质散射对石墨烯电子结构的特殊影响；同时，探测石墨烯体系中由库伦杂质形成的局域电场和圆形P-N结中的量子受限态和束缚态等新奇量子现象，以及它们在磁场下的特殊行为。本项目研究将深入理解石墨烯体系中独特的库伦杂质散射规律，为石墨烯体系中狄拉克费米子的可控操控和新奇物态探测提供实验依据和新的实验方法，为未来石墨烯纳米电子器件和光电子器件的应用提供一定的实验基础和设计指导。

库伦杂质问题是凝聚态物理中一个十分基础的研究问题。在石墨烯中，库伦杂质对其低能电子激发有着十分显著的影响，并且可以诱导产生出许多反常和新奇的量子现象。这也使得石墨烯中的库伦杂质问题成为了近年来的研究热点。本项目从实验角度出发，利用扫隧道显微镜和隧道谱为主要实验探测手段，探究了石墨烯体系中库伦杂质诱导产生的新奇量子现象以及其对石墨烯电子结构的影响。主要内容包括研究了双层和三层石墨烯独特的库伦杂质（吸附、晶格缺陷和边界等）散射与准粒子干涉现象及其规律，探究了杂质散射对石墨烯电子结构的影响，以及研究了高磁场下无杂质高质量双层和三层石墨烯中新奇对称性破缺态和电子强相互作用。得到的重要结果如下：1）创新性地得到了ABC堆垛三层石墨烯杂质（局域缺陷和畴壁边界）诱导的准粒子干涉空间分布规律，证明干涉条纹满足1/r的衰减规律；2）首次在ABC三层石墨烯中发现原子级负微分电导现象，并证明局域缺陷可在较大空间范围内关闭负微分电导，该成果为ABC石墨烯在隧穿器件上的应用开辟了新的道路；3）揭示了无杂质高质量ABC三层石墨烯低能平带的谱学特征，及其在强磁场下新奇的对称性破缺态和电子强关联效应，表明ABC三层石墨烯的确是研究平带物理一个十分理想的体系；4）从谱学上观测到了无杂质高质量双层石墨烯强磁场下的电子强相互作用效应，以及新奇量子霍尔v=0中间态的出现，证实了理论预言；5）利用STM针尖微观操控，发展了石墨烯的可控撕裂与折叠及可调边界取向石墨烯纳米结构构筑的实验新技术，为石墨烯新奇量子特性构筑与操控提供了新方法。本项目研究深入理解了石墨烯体系中独特的库伦杂质散射规律，为石墨烯体系中狄拉克费米子的可控操控和新奇物态探测提供实了验依据和新的实验方法，相关成果对未来石墨烯基纳米电子器件的应用有良好的指导作用。